车辆后轴侧滑问题分析

□ 叶明瑞 □ 孙福禄 □ 辛庆锋 □ 白晓川 □ 姜军平 □ 贾宝光

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1 问题概述

某扭力梁车型在开发过程中,由主观评价师评价车辆,发现在过较高减速带并且略带转向工况的路面时,车辆后轴存在侧滑现象。虽然这种侧滑本身没有安全隐患,并且较高减速带在普通路面上也比较少见,但是车辆行驶中出现后轴侧滑会影响驾驶员和乘客的驾乘体验。

在试乘试驾多辆不同车型后,确认车辆后轴侧滑现象比较少见,同时车辆后轴侧滑与路面条件、整车参数、车辆状态等有很大关系。

车辆后轴侧滑现象产生的具体情况如下:某车型在车速为38 km/h～40 km/h时,急打方向盘后过较高减速带,车辆后轴有浮动感,主观感觉车身瞬间横摆幅度增大,出现侧滑,同时给人产生不安全感。

笔者通过实车驾驶复现车辆后轴侧滑现象,通过仿真分析和理论分析找出影响因素,通过不同车辆的相关参数对比分析及主观评价得出主要影响因素,为后续车型在设计开发中提前规避或弱化车辆后轴侧滑问题提供参考。

2 问题复现

准备708车型一台,寻找具有符合条件减速带的公共道路进行试验,复现车辆后轴侧滑现象。减速带规格中,长为350 mm,高为50 mm,比普通道路减速带略高。

车辆以40 km/h速度行驶,车辆前轮接近减速带时,急速打方向盘,方向盘转角在20°左右,车辆与减速带成一定角度通过。

车辆通过减速带时,车辆后轴产生侧滑的运动过程可以分解为九个阶段,如图1所示。

由图1可见:阶段一为车辆直线行驶;阶段二为车辆前轮驶过减速带,转动方向盘,车辆产生横摆运动;阶段三为车辆右后轮接触减速带,左后轮未接触;阶段四为车辆左后轮接触减速带,右后轮离开减速带顶点;阶段五为车辆左后轮达到减速带顶点,右后轮离地;阶段六为车辆左右后轮同时离地;阶段七为车辆左后轮离地,右后轮接地;阶段八为车辆左后轮接地,右后轮接地;阶段九为车辆横摆稳定,此时具有稳定的横摆角速度。

▲图1 车辆后轴侧滑运动过程

3 理论分析

车辆后轴侧滑各阶段状态如图2所示。在阶段六,车辆左右后轮同时离地,后轴侧向力为0,导致后轴失去附着力。由于初始横摆角速度的存在,附着力为0瞬时,车辆后轴侧滑甩尾,横摆角速度突然增大,横摆角速度最大值大约出现在车辆右后轮接地前。车辆后轮接地后,提供侧向力,横摆角速度开始减小,主观感受明显。

车辆后轴侧滑过程单轴示意图如图3所示。图3(a)为车辆前后轮产生侧向力,车辆以稳定横摆角速度行驶。图3(b)为车辆过减速带过程中后轮离地,失去附着力,后轴侧滑,横摆角速度突然增大。图3(c)为车辆过减速带后,后轮接地,车辆再次以稳定的横摆角速度行驶。

▲图2 车辆后轴侧滑各阶段状态

▲图3 车辆后轴侧滑运动过程单轴示意图

车辆后轴侧滑现象产生的必要因素包括:① 车辆有初始横摆角速度;② 车辆后轮离地或仅有很小的附着力。

车辆后轴侧滑现象产生的工况包括:① 车辆绕圆,倾斜驶过凸包,且两轮都能接触驶过;② 车辆绕圆,倾斜驶过凹坑,且两轮都能接触驶过;③ 车辆前轮驶过凸包、凹坑后,同时带有转向;④ 其它坏路面转向时。工况③模拟停车库、十字路口过减速带转向时,车辆后轴过减速带的同时车辆已经产生横摆角速度。

4 仿真分析

搭建708车型的整车仿真分析模型,如图4所示。根据长350 mm、高50 mm的规格搭建减速带模型,如图5所示。采用ADAMS/CAR软件进行仿真分析,模拟车速为40 km/h,方向盘转角20°绕圆,车辆与减速带成一定角度通过减速带。车辆方向盘转角输入曲线如图6所示。

▲图4 整车仿真分析模型

仿真分析输出曲线如图7所示。在图7中可以清楚地看到,车辆左后轮受力滞后于右后轮受力,并且左后轮受力和右后轮受力都有波谷平直区域,即有受力为0的时刻。

图7中a区域为车辆横摆角速度增大阶段,持续0.2 s。由于车辆后轮接地后会有弹跳,横摆角速度呈现周期性波动。图7中b区域呈现出车辆后轮垂向力减小,后轮离地,以及后轮接地后有垂向周期性弹跳。

▲图5 减速带模型

▲图6 车辆方向盘转角输入曲线

以上仿真分析结果与图1、图2相吻合。

5 影响因素分析

影响车辆后轴侧滑的因素分为可控因素和不可控因素。其中,可控因素主要为车辆自身的设计指标,不可控因素为外在客观存在的条件,如试验工况等。

根据经验及仿真分析,得出车辆后轴侧滑影响因素理论分析结果。

▲图7 仿真分析输出曲线

5.1 不可控因素

(1)车速。车速影响车辆的初始横摆角速度、后轮弹跳高度、后轮离地时间。为方便对比分析,统一采用的车速为40 m/h。

(2)方向盘转角。方向盘转角影响车辆的初始横摆角速度、后轮弹跳高度、后轮离地时间。为方便对比分析,统一采用的方向盘转角为20°。

(3)减速带的高度和形状。减速带的高度和形状影响车辆的后轮弹跳高度、后轮离地时间。

(4)车辆后轮接触减速带前的横摆角速度及后轮接触减速带时车身与减速带的角度,影响车辆的后轮离地时间。

5.2 可控因素

(1)整车设计参数。在整车设计参数中,车辆轴荷、簧下质量、质心高度、整车侧倾梯度影响车辆的后轮弹跳高度、后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛,整车转动惯量、轴距轮距影响车辆的后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛。

(2)轮胎。车辆轮胎刚度影响车辆的后轮弹跳高度、后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛,轮胎附着力性能影响车辆的后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛。

(3)悬架。车辆悬架形式、悬架总刚度、悬架纵向刚度、悬架横向刚度影响车辆的后轮弹跳高度、后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛,缓冲块间隙、缓冲块接触刚度影响车辆的后轮弹跳高度、后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛,减振器压缩阻尼和拉伸阻尼影响车辆的后轮弹跳高度、后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛,悬架侧向刚度影响车辆的后轮离地时间及落地后车辆的横摆收敛。

6 实车对比分析

扭力梁悬架为半独立悬架,有半独立悬架的独特性能,与多连杆悬架不相同。为方便对比分析,选取的对比车型仍然为扭力梁车型,并且整车的尺寸及质量接近。

708车型和对比车型参数见表1,前后悬架减振器阻尼曲线分别如图8、图9所示。

表1 708车型和对比车型参数

708车型和对比车型主观评价如图10所示。

从图10中可以看出,对比车型的弯道稳定性、变道稳定性优于708车型,可以推断出过减速带横摆性能同样优于708车型。通过车辆后轴侧滑影响因素分析,结合车型参数,可以得出对比车型的侧倾梯度小,悬架侧向刚度大,后悬架减振器低速拉伸阻尼大,白车身扭转刚度大,有利于提升过减速带横摆性能,减少车辆后轴侧滑现象。

▲图8 708车型和对比车型前悬架减振器阻尼曲线

7 结束语

扭力梁半独立悬架车型有独特的性能,在过减速带并且略带转向工况时,车辆后轴容易发生侧滑现象,虽然这种侧滑本身没有安全隐患,但是会影响驾驶员和乘客的驾乘体验。

通过实车对比分析,发现侧倾梯度、悬架侧向刚度、后悬架减振器阻尼及车身扭转刚度对车辆后轴侧滑有较大的影响。

笔者的理论分析及实车验证可以为后续车型防后轴侧滑设计,尤其是扭力梁车型防后轴侧滑设计提供理论依据,具有实用价值。

▲图9 708车型和对比车型后悬架减振器阻尼曲线

▲图10 708车型和对比车型主观评价